虛擬儀器數(shù)據(jù)采集應(yīng)用論文
時間:2022-03-20 07:53:00
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虛擬儀器是以一種全新的理念來設(shè)計和發(fā)展的儀器,他是90年展起來的一項新技術(shù),主要用于自動測試、過程控制、儀器設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域,其基本思想是在儀器設(shè)計或測試系統(tǒng)中盡可能用軟件代替硬件,即“軟件就是儀器”,他是在通用計算機平臺上,根據(jù)用戶需求來定義和設(shè)計儀器的測試功能,其實質(zhì)是充分利用計算機的最新技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。
1虛擬儀器的特點和構(gòu)成
1.1虛擬儀器的特點
與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點,具體表現(xiàn)為:
智能化程度高,處理能力強虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應(yīng)用需求,將先進的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計與集成,從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。
復(fù)用性強,系統(tǒng)費用低應(yīng)用虛擬儀器思想,用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器,如同一個高速數(shù)字采樣器,可設(shè)計出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接,還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享,更好地發(fā)揮儀器的使用價值。
可操作性強,易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義,針對不同應(yīng)用可以設(shè)計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解,測量結(jié)果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線,這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。
1.2虛擬儀器的構(gòu)成
虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計、軟件開發(fā)與設(shè)計2個方面考慮。
硬件電路的設(shè)計主要根據(jù)用戶所面對的任務(wù)決定,其中接口設(shè)計可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包括GPIB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因為他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾能力強以及良好的開放性能等優(yōu)點,因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可,目前VXI模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺,是儀器硬件的發(fā)展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設(shè)計一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括:信號調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集;信號輸出與控制;數(shù)據(jù)實時處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來,就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺示波器、1臺數(shù)字化儀或1臺頻譜分析儀;使用信號輸出與控制模塊和實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺函數(shù)發(fā)生器、1臺信號源或1臺控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設(shè)計,也包括一些現(xiàn)場總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機箱和儀器模塊。常用的控制方案有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計算機控制方式的硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件(devices)。VXI有4種器件:寄存器基器件、消息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件,用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴展器目前是備用件,為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器基器件,還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件,是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此,寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊(如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出卡、模/
數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號調(diào)理等)。消息基器件與寄存器基器件不同,他在高層次上用ASCII字符進行通信,與這種器件十分相似是獨立HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協(xié)議”相互進行通信,這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必須有CPU(或DSP)進行管理與控制。因此,消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號處理部分的模塊。
軟件的開發(fā)與設(shè)計包括3部分:VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動軟件和應(yīng)用軟件(軟面板)。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
VXI總線接口軟件由零槽控制器提供,包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接,提供對VXI背板總線的控制和支持,是實現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。
儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序,也即模塊的驅(qū)動軟件,他的設(shè)計必須符合VPP的2個規(guī)范,即VPP3.1《儀器驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)和模型》和VPP3.2《儀器驅(qū)動程序設(shè)計規(guī)范》。
“軟面板”設(shè)計就是設(shè)計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板,這個面板應(yīng)不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關(guān)按鈕、報警裝置等功能部件,而且應(yīng)還具有多個連貫操作面板、在線幫助功能等。
2虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用
利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以按照硬件設(shè)計、軟件設(shè)計兩個步驟來完成。
2.1硬件設(shè)計
硬件設(shè)計要完成以下內(nèi)容:
1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲
設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng),一般應(yīng)滿足能對多路信號盡可能同步地進行采集,為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進行存儲,而且還能及時地在采集過程中將數(shù)據(jù)傳送到上位機,選用存儲量比較適中的先進先出存儲器,這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲的需要,又能在需要實時傳送數(shù)據(jù)時,在A/D轉(zhuǎn)換的同時進行數(shù)據(jù)傳送,不丟失任何數(shù)據(jù)。)VXI總線接口
VXI總線數(shù)據(jù)采集器通??梢岳脙煞NVXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通過總線傳送命令,從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設(shè)計,具體消息基接口的框圖見圖2。
3)采樣通道控制
為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求,使通道的數(shù)量足夠多,通道的選取比較靈活,可以利用寄存器電路、可預(yù)置計數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合,將采樣通道設(shè)計成最多64路、最少2路可以任意選擇,而且可以從任意一路開始采樣,也可以到任意一路結(jié)束采樣,只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個控制在虛擬儀器軟面板上進行操作,通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中,從而設(shè)置計數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。
4)定時采樣控制
由于不同的自動測試系統(tǒng)對采樣時間間隔的要求不同,以及同一系統(tǒng)在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同,故可以采用程控的方式將采樣時間間隔設(shè)置在2μs~13.0ms之間任意選擇,可以增加或減少的最小單位是2μs。所有這些選擇設(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進行。
5)采樣點數(shù)控制
根據(jù)不同測試系統(tǒng)的需求,將采樣點數(shù)設(shè)計成可在一個比較大的范圍中任意選擇,該選擇同樣是在軟面板上進行。
6)采樣方式控制
總結(jié)各種自動測試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣,這2種采樣又可以是定時進行的或等轉(zhuǎn)速差進行的。所有這些采樣方式,對于數(shù)據(jù)采集器來說都可以在軟面板上進行選擇。
2.2軟件設(shè)計
軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵,為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡潔,一般可采用組件化設(shè)計思想,將各部分彼此獨立的軟件單元分別制成
標(biāo)準(zhǔn)的組件,然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應(yīng)用系統(tǒng),一個標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng),如圖3所示。
應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具,以及利用PC機、工作站的強大功能。同時VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(VISA)的建議,為虛擬儀器的研制與開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來構(gòu)成虛擬儀器成為可能。
基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā),往往很困難,但現(xiàn)在NI公司提供了所有這四部分軟件,使應(yīng)用開發(fā)比以往容易得多。
下面簡單介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境,來進行VXI虛擬儀器的驅(qū)動程序開發(fā)的方法。
第一步:生成儀器模塊的用戶接口資源文件(UIR)。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發(fā)者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計的一個圖形用戶界面(GUI)。一個LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及許多其他控制項和說明項構(gòu)成。
第二步:LabWindows/CVI事件驅(qū)動編程。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI中設(shè)計一個用戶接口,實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板,他由各種控制項(如命令按鈕、菜單、曲線等)構(gòu)成。用戶選中這些控制項就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件(events)。例如,當(dāng)用戶單擊一個命令按鈕,這個按鈕產(chǎn)生一個用戶接口事件,并傳遞給開發(fā)者編寫的C語言驅(qū)動程序。這是運用了Windows編程的事件驅(qū)動機制。LabWindows/CVI中使用不同類型的控制項,在界面編輯器中將顯示不同類型的信息,并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的開發(fā)平臺中,對事件驅(qū)動進行C程序編程時可采用2種基本的方法:回調(diào)函數(shù)法和事件循環(huán)處理法。
回調(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個用戶界面的控制項寫一個獨立的用戶界面的控制函數(shù),當(dāng)選中某個控制項,就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進行事件處理。在循環(huán)處理法中,只處理GUI控制項所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過GetUserEvent函數(shù)過濾,將所有的COMMIT事件區(qū)分開,識別出是由哪個控制項所產(chǎn)生的事件,并執(zhí)行相應(yīng)的處理。
第三步:應(yīng)用函數(shù)/VI集與應(yīng)用程序軟件包編寫。應(yīng)用函數(shù)/VI集需針對具體儀器模塊功能進行編程,應(yīng)用程序軟件包只是一些功能強大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要提供,如波形分析儀模塊、DSP模塊等。
3結(jié)語
本文探討了虛擬儀器的基本組成,以及實際的虛擬儀器軟硬件設(shè)計的一般方法,這些方法經(jīng)過實際設(shè)計工作運用證明是可靠的,可供系統(tǒng)工程技術(shù)人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、測試時參考使用。
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